Давайте мысленно создадим твердое тело из отдельных атомов, постепенно сближая их друг с другом.
При этом, по мере сближения, поля отдельных атомов начинают взаимодействовать. Это приводит к расщеплению энергетических уровней и созданию разрешенных энергетических зон, причем, наиболее сильно взаимодействуют и, соответственно, уширяются верхние уровни (см. рис.9.3).
В результате, при равновесных расстояниях между атомами кристалла r0 получаем: зоны разрешенных значений энергии, которые разделены зонами запрещенных значений энергии электронов. В зависимости от структуры энергетических зон различают три типа твердых тел: металлы, полупроводники и диэлектрики (см. рис. 9.4).
1. МЕТАЛЛЫ образуются в тех случаях, когда валентная зона заполнена электронами частично, либо разрешенные зоны перекрываются. В том и другом случае при Т = 0 К часть уровней зоны свободны, и электроны под действием электрического поля могут переходить на более высокие уровни энергии, т. е. разгоняться в электрическом поле.
2. У ПОЛУПРОВОДНИКОВ И ДИЭЛЕКТРИКОВ при Т = 0 К валентная зона полностью заполнена электронами. Ближайший свободный энергетический уровень находится в свободной зоне, а, чтобы электрон туда попал, ему необходимо сообщить энергию большую, чем ширина запрещенной зоны DWзап . Электрическое поле такую энергию сообщить не может, поэтому электропроводность у таких тел резко меньше, чем у металлов.
У полупроводников ширина запрещенной зоны DWзап составляет около 1эВ, и при Т ~ 300 К часть электронов за счет энергии теплового движения забрасываются в свободную зону и там могут легко разгоняться электрическим полем (переходить на ближайшие, более высокие свободные уровни).
В диэлектриках DWзап > 2эВ и энергии теплового движения недостаточно, чтобы забросить электроны из валентной зоны в свободную зону. Поэтому, даже при комнатной температуре диэлектрики являются изоляторами, не проводят ток.
Таким образом, различие полупроводников от диэлектриков заключается в ширине запрещенной зоны DWзап.
Рис. 9.4. Тип твердого тела определяется заполненостью валентной зоны и шириной запрещенной зоны DWзап
а) у металла при Т=0 валентная зона заполнена электронами частично
б) у полупроводников при Т=0К валентная зона заполнена полностью, а DWзап ~ 1эВ.
в) диэлектрики отличаются от полупроводников тем, что DWзап >2эВ.